Appunti Di Elettrotecnica

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Appunti di elettrotecnica

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  • Appunti di Elettrotecnica per le classi 3 , 4 , 5 del corso "Elettrotecnica ed Automazione" nell'Istituto Tecnico Industriale "G. Galilei" di Mirandola (MO) http://www.galileimirandola.it a cura del prof.

    Egidio Rezzaghi.

    L'attuale versione, aggiornata al 17/04/2004, completa della parte di teoria per le classi terza, quarta e quinta e degli esercizi per la classe quarta. Sono stati inseriti i primi quattro esercizi sui motori asincroni trifasi, altri seguiranno. Sono state fatte importanti modifiche agli appunti sui transitori delle reti elettriche e correzioni in diverse altre parti. Infine stato aggiornato il driver egavga.bgi necessario per il funzionamento dei programmi che utilizzano la modalit grafica.

    Per una migliore visualizzazione si consiglia:

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    Quanto segue la semplice trasposizione in formato HTML di documenti WINWORD scritti in tempi diversi ed utilizzati per dotare gli allievi di appunti rispecchianti il lavoro effettivamente svolto in classe. Quindi ben lontano dal poter essere ritenuto un riferimento esaustivo dei contenuti della disciplina od un significativo documento multimediale. In definitiva si tratta soltanto di un semplice strumento didattico. Saranno oltremodo bene accettati sia suggerimenti che segnalazioni di eventuali errori presenti.

    Prof. Egidio Rezzaghi

    info@galileimirandola.it , egidiorezzaghi@infinito.it

    Programma per la classe terza Programma per la classe quarta Programma per la classe quinta Download di programmi per l'elettrotecnica e le misure elettriche Errata corrige

    Classe terza

    Indice dei contenuti:

    1. Elettrostatica 2. Campi e circuiti magnetici 3. Reti elettriche in corrente continua e corrente alternata 4. Misure elettriche

  • Elettrostatica Indice dei contenuti:

    1. Introduzione, legge di Coulomb 2. Campo elettrico 3. Condensatore elettrico 4. Comportamento elettrostatico dei corpi conduttori 5. Induzione elettrostatica e spostamento elettrico 6. Flusso del vettore spostamento elettrico, teorema di Gauss 7. Applicazioni del teorema di Gauss 8. Polarizzazione dei dielettrici, rigidit dielettrica 9. Costante dielettrica e rigidit dielettrica: tabella 10. Energia nel campo elettrico 11. Forze attrattive tra le armature di un condensatore carico 12. Campo elettrico nei corpi conduttori percorsi da corrente 13. Transitorio di carica e scarica nei condensatori

    Introduzione, legge di Coulomb

    Quanto esposto in questi appunti ha lo scopo di riassumere quelle conoscenze della elettrostatica gi note dal corso di fisica del biennio e di proporre quelle integrazioni che pi direttamente fanno riferimento alle applicazioni elettrotecniche. Nelle espressioni, le grandezze vettoriali sono indicate mediante sottolineatura.

    Con elettrostatica si intende la teoria che studia l'effetto di forza dovuto a cariche elettriche immobili.

    Si chiama carica elettrica la quantit di elettricit positiva o negativa di un corpo, essa sempre un multiplo intero della carica elementare (quanto elementare) e = 1,60210-19 [C] (la pi piccola quantit di carica elettrica esistente la carica dell'elettrone, pari a -e ).

    Una delle propriet pi importanti delle cariche elettriche descritta dalla legge di Coulomb : la forza elettrica F di attrazione (cariche di segno opposto) o di repulsione (cariche di uguale segno) fra due cariche puntiformi Q1 e Q2 immerse in un mezzo isolante proporzionale al prodotto delle cariche ed inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza :

    La direzione della forza la retta passante per le due cariche. La grandezza chiamata costante dielettrica assoluta del

    mezzo isolante e, per il vuoto, essa vale :

    Per un mezzo diverso dal vuoto si soliti esprimerla come prodotto tra la costante dielettrica del vuoto e la costante dielettrica relativa del mezzo = o r .

  • Campo elettrico

    E' cos chiamata ogni regione dello spazio ove si esercitano forze elettriche su cariche elettriche. Il campo elettrico determinato in ogni punto dalla grandezza vettoriale E , quindi definito in ogni punto da una intensit, una direzione ed un verso. L'intensit, la direzione ed il verso sono pari a quelli della forza elettrica che agisce su un'unit di carica positiva posta in quel punto. Se ne ha una rappresentazione visibile mediante le linee di forza e le superfici equipotenziali. Le linee di forza sono linee orientate secondo il verso di E le cui tangenti coincidono in ogni punto del campo con la direzione del vettore E .

    Con potenziale di un punto del campo elettrico si intende il valore di energia potenziale che l'unit di carica positiva possiede in quel punto. Si sceglie a piacere un punto come punto zero dell'energia potenziale. I punti di eguale potenziale sono posti su superfici equipotenziali, tali superfici sono perpendicolari alle linee di forza. Una carica elettrica positiva pu essere mossa su di una superficie equipotenziale senza perdita ne guadagno di energia, mentre per essere mossa da una superficie a minor potenziale verso una a maggior potenziale richiede un lavoro che, infine, si ritrova sotto forma di maggior energia potenziale posseduta dalla carica. Qualunque carica positiva collocata in un punto del campo elettrico tende a muoversi nel verso della linea di forza passante per quel punto, cos facendo vede diminuire il proprio potenziale.

    Si definisce differenza di potenziale tra due punti M, N del campo elettrico la differenza tra il potenziale nel primo punto ed il potenziale nel secondo punto : VMN = VM - VN .

    Nota Bene.: quello di campo un concetto fondamentale per la descrizione di stati ed effetti nello spazio, risalente a Faraday. I campi di forza (campi vettoriali), quali quelli di forza elettrica, di forza magnetica, di forza gravitazionale, sono definiti dalla intensit, dalla direzione e dal verso di una forza per ogni punto dello spazio. I campi scalari indicano invece la distribuzione nello spazio di valori numerici, ad esempio di temperatura o densit.

    Se in un punto dello spazio caratterizzato da una intensit di campo elettrico pari ad E vi una carica pari a Q, si avr agente sulla carica una forza elettrica pari a F = EQ , da cui si ricava che

  • l'unit di misura del campo elettrico il [N / C] . La direzione di questa forza la stessa del campo, il verso quello del campo se la carica positiva, altrimenti ad esso opposto.

    Il potenziale elettrico, essendo un'energia per unit di carica, si misura in [J/C]. Cos pure per la differenza di potenziale. Se in un punto di un campo elettrico ove il potenziale vale V presente una carica Q , tale carica posseder una energia potenziale elettrica pari a W = QV [Joule]. Il [J/C] chiamato volt [V].

    Consideriamo ora un campo elettrico stazionario (cio non variabile nel tempo) ed uniforme (cio non variabile al variare del punto considerato). Prendiamo due punti M, N sulla stessa linea di forza, distanti tra di loro d , ed immaginiamo una carica positiva Q che passi dal punto M al punto N . Tale carica perder energia potenziale e compir un lavoro se VM > VN perch sar la forza elettrica a determinarne lo spostamento, viceversa acquister energia potenziale e su di essa bisogner compiere un lavoro se VM < VN perch si dovr vincere la forza elettrica con una forza esterna. In ogni caso, per il principio di conservazione dell'energia, dovr essere il lavoro uguale alla variazione di energia potenziale :

    Fd = QVM - QVN = QVMN EQd = QVMN

    La situazione appena descritta quella che si verifica nel dielettrico (isolante) posto tra le armature piane e parallele di un condensatore.

    Nel caso di campi elettrici non uniformi, quanto detto rimane ancora valido solo che si dovranno considerare punti M ed N a distanza tra di loro talmente piccola da potersi ritenere in tale tratto uniforme il campo.

    Per i campi elettrici si pu inoltre dire che il lavoro connesso al movimento di una carica tra due punti M ed N (situati anche su diverse linee di forza) non dipende dal percorso seguito dalla carica per passare da M ad N , ma dipende solo dalla posizione dei punti M ed N ( i campi che godono di tale propriet sono detti campi conservativi e tale anche il campo gravitazionale).

    Condensatore elettrico

    E' cos chiamato il dispositivo atto a realizzare un adeguato valore concentrato di capacit elettrica. Per capacit elettrica si intende l'attitudine di un circuito ad accumulare carica elettrica. La capacit elettrica definita dalla legge C = Q / V e si misura in [Farad]. Un condensatore si realizza generalmente mediante due piastre di materiale conduttore con interposto un mezzo dielettrico (isolante). Applicando una differenza di potenziale tra le armature si crea un campo elettrico nel

  • dielettrico e, grazie al lavoro del generatore, un accumulo di carica sulle stesse (carica positiva sull'una e negativa sull'altra), tanto pi grande quanto pi grande la capacit del condensatore. Una volta che il condensatore si caricato, per i circuiti in corrente continua si ha che nel ramo ove inserito il condensatore non pu pi passare la corrente elettrica.

    Se si hanno diversi condensatori in parallelo, ovvero sottoposti alla stessa differenza di potenziale, la capacit totale pari alla somma aritmetica delle singole capacit:

    Se si hanno diversi condensatori in serie, ovvero tutti aventi la stessa quantit di carica elettrica, la capacit totale pari all'inverso della somma aritmetica degli inver